趙玅圓

(通號國際控股有限公司，北京 100070)

1 概述

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是保障城市軌道交通行車組織及公共安全的重要工具，從用戶角度一般可分為專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。其中，專用視頻監(jiān)控系統(tǒng)為調(diào)度人員和車站值班員提供列車運(yùn)行、設(shè)備室設(shè)備運(yùn)行、客流情況等視頻信息，在一般情況下為運(yùn)營指揮提供服務(wù)，在突發(fā)情況下亦作為搶險(xiǎn)防災(zāi)的重要手段；而公安視頻監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控處理突發(fā)犯罪的系統(tǒng)，為各級公安人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)視畫面，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和打擊違法犯罪行為。

隨著近年軌道交通迅猛發(fā)展，客流不斷增大，傳統(tǒng)的模式攝像機(jī)視頻圖像分辨率已逐漸不能滿足使用需求，對視頻監(jiān)控圖像清晰度的需求已經(jīng)從看到變?yōu)榭辞?。地鐵空間作為人員集中、流動性較強(qiáng)的公共場所，急需利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全過程、全方位的安全生產(chǎn)和防范。

2 視頻監(jiān)控的發(fā)展歷程

視頻監(jiān)控按系統(tǒng)發(fā)展歷程基本可以劃分為3個(gè)階段，20世紀(jì)90年代之前采用模擬監(jiān)控、21世紀(jì)初出現(xiàn)數(shù)模結(jié)合的準(zhǔn)數(shù)字監(jiān)控和近些年興起的全數(shù)字視頻監(jiān)控，也稱IP視頻監(jiān)控。

目前，隨著監(jiān)控技術(shù)發(fā)展，純模擬監(jiān)控系統(tǒng)已完全退出市場，模擬+數(shù)字監(jiān)控也已大幅萎縮，以高清720P和1080P的IP攝像機(jī)的大規(guī)模使用為代表的IP視頻監(jiān)控市場自2010年起開始迅速增長。

2.1 模擬視頻監(jiān)控

模擬監(jiān)控系統(tǒng)是以模擬標(biāo)清視頻信號為基礎(chǔ)，大容量視頻矩陣和VCR為核心，輔以視頻分配器、字符疊加器等組成的模擬系列，其前端攝像機(jī)、車站組網(wǎng)、車站到控制中心間的視頻信號均采用模擬監(jiān)控方式。模擬信號通過視頻同軸電纜連接至視頻矩陣供車站人員調(diào)看，同時(shí)轉(zhuǎn)化為光信號傳輸至控制中心，還原成多路獨(dú)立的模擬信號，輸出到顯示設(shè)備上。

2.2 準(zhǔn)數(shù)字視頻監(jiān)控

模擬監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在一定距離內(nèi)圖像質(zhì)量保持得很好，而要遠(yuǎn)距離、同步傳輸多路高清晰視頻和音頻信號，性價(jià)比最高的方法是將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)壓縮后利用專用通道進(jìn)行傳輸，在這種前提下，模擬+數(shù)字的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

準(zhǔn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以DVR/IPSAN等存儲和編解碼技術(shù)為核心，輔以數(shù)字傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控系列,其對模擬監(jiān)控系統(tǒng)做了局部升級，前端的攝像機(jī)采用模擬攝像機(jī)，即前端的攝像機(jī)輸出為模擬視頻信號，在視頻引入至機(jī)房后進(jìn)行數(shù)字化編碼、壓縮，車站的組網(wǎng)方式仍沿用模擬技術(shù)，但在錄像以及車站與控制中心的視頻傳輸中采用數(shù)字方式。

其特點(diǎn)是遠(yuǎn)距離傳輸采用光傳輸網(wǎng)絡(luò)，不單獨(dú)占用光纖資源，可以享受傳輸系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制，可多點(diǎn)調(diào)看，資源共享，如圖1所示。

圖1 北京地鐵1號線系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of Beijing Metro Line 1

2.3 全數(shù)字視頻監(jiān)控

全數(shù)字視頻監(jiān)控是相對準(zhǔn)數(shù)字視頻監(jiān)控而言，也被稱為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，是以計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與視頻壓縮技術(shù)為核心，輔以數(shù)字傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控系列，各車站的組網(wǎng)方式均采用類似于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的方式。其車站組網(wǎng)、錄像及車站至控制中心傳輸均采用數(shù)字方式，攝像機(jī)的采用方面IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、半網(wǎng)絡(luò)HD-SDI/HDCVI攝像機(jī)均有應(yīng)用，目前新建線以IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為主流。

以采用IP攝像機(jī)為例，車站攝像機(jī)前端將圖像編碼后與控制信號一起送入本地以太網(wǎng)交換機(jī)供車站人員調(diào)看，同時(shí)通過傳輸系統(tǒng)提供的共線以太網(wǎng)通道連接至控制中心，控制中心通過解碼后轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號輸出到顯示設(shè)備上。

其特點(diǎn)是組網(wǎng)簡單，便于維護(hù)，符合監(jiān)控系統(tǒng)高清化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。但網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)再先進(jìn)，也有編解碼的延時(shí)，而且網(wǎng)絡(luò)自身易受攻擊，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響較大，如圖2所示。

圖2 北京地鐵八通線系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of Beijing Metro Batong Line

3 高清視頻監(jiān)控

當(dāng)前的城市軌道交通視頻監(jiān)控正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化、智能化的方向發(fā)展。對用戶而言，最迫切的需求就是智能化和高清化，一是隨著監(jiān)控點(diǎn)位的增長，運(yùn)營工作人員有限，難以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件，而基于全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻智能分析技術(shù)恰恰能夠協(xié)助工作人員提升處理能力；二是圖像清晰度，圖像越清晰，智能分析等應(yīng)用業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確度也就越高。

從2008年開始推行高清概念，圖像分辨率從以往主流的4∶3變換為16∶9，主要有準(zhǔn)高清D4/720P（1280×720）、半高清 D3/1080i（1920×540）、全高清D5/1080P（1920×1080）等幾種分辨率。

3.1 數(shù)字高清視頻

網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)（也稱IP攝像機(jī)）從2010年左右開始興起，經(jīng)過2007～2008年的新技術(shù)高價(jià)期后，現(xiàn)在已經(jīng)成為通用產(chǎn)品，價(jià)格也和傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)沒有太大區(qū)別。

數(shù)字高清視頻是前端攝像機(jī)將圖像成像、視頻編碼，網(wǎng)絡(luò)接口及內(nèi)置程序集成到一起，通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)傳送至機(jī)房，然后再分發(fā)給存儲和調(diào)看終端，同時(shí)通過傳輸通道傳送至控制中心實(shí)現(xiàn)調(diào)看和存儲冗余。相對于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)高清監(jiān)控的技術(shù)優(yōu)勢明顯。

因?yàn)樵聿煌?，?dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不同，網(wǎng)絡(luò)化是其最基本的特征。系統(tǒng)主要由前端網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)存儲以及各調(diào)看終端組成。

3.2 模擬高清視頻

由于網(wǎng)絡(luò)高清主要依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等影響在某些極端需要安全和高效超快速監(jiān)控的業(yè)務(wù)中不能接受，或者既有線改造難度較大。為了增加監(jiān)控畫面的實(shí)時(shí)性，降低改造項(xiàng)目成本，出現(xiàn)模擬高清（也稱作“同軸高清”）,模擬高清主要有兩種方式：HD-SDI和HDCVI/HDTVI。

其中HD-SDI是基于電影與電視工程師協(xié)會（SMPTE）串行鏈路標(biāo)準(zhǔn)，通過同軸電纜來傳輸未壓縮數(shù)字視頻的一種實(shí)時(shí)無壓縮的高清廣電級攝像機(jī)，經(jīng)HD-SDI攝像機(jī)采集的圖像不需要經(jīng)過任何壓縮，只進(jìn)行簡單模擬數(shù)字?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換后便進(jìn)行傳輸，能滿足無損和超快速監(jiān)控響應(yīng)的需求。在圖像到達(dá)機(jī)房滿足本地實(shí)時(shí)監(jiān)控需求后，再編碼進(jìn)行存儲和向上一級轉(zhuǎn)發(fā)，這部分和網(wǎng)絡(luò)高清一樣，所以確切來講還是半網(wǎng)絡(luò)高清。

HDCVI由國內(nèi)廠商在2012年首次提出，2014年被收入國標(biāo)，為我國國產(chǎn)化知識產(chǎn)權(quán)的解決方案。與HD-SDI的數(shù)字高清不同的是，HDCVI/HDTVI原則上來講仍然是模擬攝像機(jī)，只是其TVL已經(jīng)達(dá)到1 000線以上，圖像清晰度不輸于網(wǎng)絡(luò)高清，但其傳回至機(jī)房的信號仍然是傳統(tǒng)的模擬視頻信號，從而減少信號轉(zhuǎn)化所需的時(shí)間，做到實(shí)時(shí)顯示。

HDCVI/HDTVI較HD-SDI相比，優(yōu)勢為傳輸距離遠(yuǎn)（HDCVI/HDTVI可做到500 m及以上的距離內(nèi)可靠傳輸，HD-SDI傳輸距離為150 m）；可在同軸線纜上傳輸方向控制信號。劣勢為圖像質(zhì)量會隨傳輸距離增大而下降；另外在傳輸時(shí)要經(jīng)過模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，也會增加視頻信號的損耗。

3.3 數(shù)字高清與模擬高清適用性

兩種解決方案各有利弊。

數(shù)字高清視頻解決方案中，數(shù)字信號通過網(wǎng)線傳輸，組網(wǎng)相對復(fù)雜；傳輸距離約100 m，長距離傳輸需要多層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)；圖像編解碼時(shí)容易出現(xiàn)延時(shí)、暗區(qū)馬賽克等問題。但是數(shù)字化信息可以更好的應(yīng)用，在后期編碼處理和綜合分析上優(yōu)勢明顯，這也是視頻監(jiān)控發(fā)展的方向。適用于對應(yīng)用分析場景要求較高的新建項(xiàng)目。

模擬高清視頻解決方案中，模擬信號可通過同軸線纜傳輸，組網(wǎng)簡單，對既有模擬視頻系統(tǒng)升級時(shí)，改造成本較低；信號傳輸距離較數(shù)字高清長；圖像可實(shí)時(shí)調(diào)用，解決了延時(shí)問題，但信號分析和存儲時(shí)仍需要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。適用于項(xiàng)目成本有限的改造項(xiàng)目。

4 視頻編解碼格式

目前，監(jiān)控行業(yè)采用的視頻編碼技術(shù)主要有MPEG-1/2、MPEG-4、H.264、H.265。 國 際 上 制定視頻編解碼的標(biāo)準(zhǔn)組織有兩個(gè)：一個(gè)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），制定的標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等；另一個(gè)是國際電聯(lián)（ITU-T），制定的標(biāo)準(zhǔn)有H.261、H.263、H.264、H.265等。其中，H.264標(biāo)準(zhǔn)在各項(xiàng)指標(biāo)上均有較好表面，是現(xiàn)在市場的主流解決方案。H.265在H.264的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)了碼流、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，節(jié)約編碼壓縮帶寬，是未來的發(fā)展趨勢。

5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)存儲方式

隨著高清視頻監(jiān)控的發(fā)展，存儲數(shù)據(jù)量和調(diào)用速度都有更高的要求，這對存儲方案也提出新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段視頻監(jiān)控存儲系統(tǒng)主要有兩種，即IPSAN直存方案和云存儲方案。

5.1 IPSAN直存方案

IPSAN存儲方案是通過網(wǎng)絡(luò)（IP網(wǎng)絡(luò)），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)封包的一種存儲標(biāo)準(zhǔn)。IPSAN存儲采用成熟的存儲硬件平臺和安全穩(wěn)定的存儲管理系統(tǒng)，有效保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性；采用RAID技術(shù)、部件冗余保證系統(tǒng)的高可用性以及快速的數(shù)據(jù)恢復(fù)從而保證數(shù)據(jù)的安全；可以通過多種技術(shù)手段兼容各類型的前端視頻接入。

目前的IPSAN存儲設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將視頻監(jiān)控平臺管理軟件嵌入到存儲器內(nèi)部運(yùn)行，變成一體化的應(yīng)用存儲平臺?？扇∠幸曨l圖像存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、回放都需要經(jīng)過的視頻服務(wù)器，減少系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。對用戶而言，在視頻存儲業(yè)務(wù)中，不再需要流媒體服務(wù)器、存儲轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器。在圖片直存業(yè)務(wù)中，不再需要圖片服務(wù)器，大量減少交通接入服務(wù)器。

5.2 云存儲方案

視頻監(jiān)控云存儲系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式集群技術(shù)：由云存儲管理集群、存儲陣列集群網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一應(yīng)用的API接口，通過虛擬化、云結(jié)構(gòu)化和高精確視頻應(yīng)用存儲構(gòu)成。運(yùn)用集群構(gòu)架、負(fù)載均衡、對象存儲等技術(shù)，結(jié)合視頻、圖片數(shù)據(jù)特點(diǎn)，面向應(yīng)用地滿足視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)高可靠性、不間斷的海量存儲需求。采用分散存儲技術(shù)加速大數(shù)據(jù)智能分析快速提取和分析效率。通過離散算法將同一通道的數(shù)據(jù)分散到不同的存儲節(jié)點(diǎn)。然后在數(shù)據(jù)讀取時(shí)各個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)即可同時(shí)并行發(fā)送數(shù)據(jù)，大幅提高數(shù)據(jù)讀取時(shí)的吞吐量。

5.3 方案對比

IPSPN與云存儲對比如表1所示。

表1 IPSAN與云存儲對比Tab.1 Comparison of IPSAN and cloud storage

綜上所述，IPSAN存儲方案和云存儲方案各有利弊，云存儲作為新技術(shù)是行業(yè)發(fā)展方向，但I(xiàn)PSAN的高穩(wěn)定性和較高的性價(jià)比也一直受到客戶青睞。

6 總結(jié)

用戶需求的發(fā)展總是引領(lǐng)著技術(shù)的更新?lián)Q代，高清視頻監(jiān)視技術(shù)的使用，大大提升了視頻的清晰度，更容易實(shí)現(xiàn)更多的智能分析業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的智能分析，運(yùn)營、公安人員可從海量數(shù)據(jù)中解脫出來，提升效率。而隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，掀起數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化浪潮，數(shù)字高清視頻監(jiān)控更符合視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展趨勢，能夠滿足目前軌道交通視頻監(jiān)控需求，而針對一些改造難度較大的老線，采用模擬高清技術(shù)進(jìn)行改造，也是一種節(jié)約成本并行之有效的方案。